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La tecnología de control de vibraciones pasivo/dinámico impulsa la productividad en el mecanizado / nº 235

Las vibraciones sin control crean muchos problemas en las operaciones de mecanizado. Las distintas fuerzas del proceso de corte causan vibraciones y temblores en las herramientas que degradan la calidad de la superficie de la pieza, desgastan o rompen rápidamente las herramientas de corte y causan averías en los componentes de las herramientas de la máquina. Las pautas del diseño del producto también pueden causar vibraciones. Para aumentar la resistencia del producto y reducir los costes de montaje, los fabricantes producen cada vez más piezas a partir de piezas monolíticas. La producción de las características internas de las piezas necesita herramientas que alcancen las cavidades profundas, y el aumento de la longitud de la herramienta aumenta también la vibración. La reducción de los parámetros de corte para minimizar la vibración reduce la productividad y aumenta los costes de fabricación

Entre los primeros de los diferentes enfoques de control de vibraciones se encuentran los sistemas pasivos/dinámicos que utilizan conceptos de amortiguadores de masa sintonizada para absorber la vibración antes de que esta aumente y afecte al proceso de la máquina.

La vibración es un problema común

Todos los sectores de la industria reconocen que el exceso de vibración supone una condición destructiva. El funcionamiento repetitivo o las fuerzas externas causan un movimiento simultáneo que puede resonar en la máquina, edificio o puente hasta alcanzar una magnitud peligrosa. Los fabricantes y constructores suelen utilizar conceptos de amortiguadores de masa sintonizados para hacer frente a la vibración. Esta absorción se crea con un componente suspendido dentro de una máquina o estructura; se diseña para que resuene a destiempo con la vibración no deseada, absorba su energía y minimice el movimiento provocado por la vibración.

La vibración en el mecanizado

En el mecanizado, la vibración se genera con el cambio de fuerzas que ocurre cuando se generan virutas. Se pueden ver las fuerzas intermitentes durante el proceso de corte interrumpido del fresado y también en las operaciones de torneado cuando el soporte se carga y descarga periódicamente durante la formación y rotura de virutas.
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Herramienta convencional: la vibración se extiende a lo largo del husillo de la máquina

Un enfoque pasivo del control de vibración en el mecanizado implica que se maximice la rigidez de los elementos del sistema de la máquina. Para restringir el movimiento no deseado, se puede construir una herramienta mecánica con elementos estructurales rígidos, más grandes, más pesados y rellenos de cemento u otro material que absorba las vibraciones. Desde la perspectiva de la pieza con la que se trabaja, las piezas con paredes delgadas y las que tienen secciones sin soporte tienden a vibrar durante el mecanizado. Hasta cierto grado, se pueden volver a diseñar las piezas para mejorar la rigidez. Sin embargo, tales cambios de diseño pueden añadir peso y afectar al rendimiento del producto.

Para las herramientas de corte, un enfoque pasivo del control de la vibración incluye el uso de herramientas cortas y rígidas, y la sustitución de portaherramientas de acero por otros de metal duro enterizos.

Un enfoque pasivo/dinámico del control de la vibración para las herramientas implica el uso de un concepto de absorción con masa sintonizada. El sistema Steadyline de SECO incluye una absorción de vibración sintonizada previamente que consiste en una masa de absorción de un material de alta densidad (para minimizar sus dimensiones generales); se suspende dentro de la barra del portaherramientas a través de elementos radiales de absorción. La masa de amortiguación absorbe la vibración inmediatamente cuando se transmite desde la herramienta de corte hasta el cuerpo de la barra.

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Herramienta de absorción de vibración pasiva/dinámica: el amortiguador de vibración absorbe la vibración antes de que se distribuya

El sistema Steadyline permite que se realicen operaciones con gran voladizo el doble de rápido que con herramientas sin absorción, a la vez que se mejora el acabado superficial de la pieza, se aumenta la vida útil de la herramienta y se reduce la tensión de la herramienta de la máquina. La tecnología de absorción de vibraciones pasiva/dinámica ayuda a que se realicen ciertas aplicaciones, como el uso de las longitudes de las herramientas de hasta diez veces el diámetro, algo que no sería posible incluso con los parámetros mínimos de mecanizado.

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Principios operativos pasivos/dinámicos

Las figuras 1 y 2 muestran los principios de funcionamiento del sistema de control de vibración pasivo/dinámico Steadyline. En la figura 1, las propiedades relacionadas con la vibración de los soportes monobloc convencionales son su masa (M1), su rigidez (K1) y sus características inherentes de absorción(K’1). Las propiedades se agrupan para dar lugar al sistema MKK’. En el funcionamiento, una fuerza de corte Fe aplica movimiento (vibración) al soporte.
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La implementación de un sistema Steadyline (figura 2) añade las propiedades de un segundo sistema MKK´, que consiste en una masa M2, una rigidez K12, y una densidad K’12. El sistema MKK’ S2 se diseñó para incluir la misma frecuencia inherente del sistema MKK’ original de forma que resuene a destiempo con la vibración no deseada, con lo que absorbe su energía y amortigua el movimiento de vibración.

En el sistema Steadyline, la masa de absorción de vibraciones se coloca en la parte frontal de la barra, donde el potencial de desviación es mayor y la masa puede absorber la vibración inmediatamente cuando se transmite desde el filo de corte al cuerpo del soporte. El sistema Steadyline también ensambla cabezas de mandrinar con fijación tipo GL cortas y compactas que aproximan el filo de corte a la masa de absorción para maximizar el efecto de absorción de vibraciones. El sistema se adapta a una amplia gama de aplicaciones y es particularmente útil para el fresado (contorneado, cajeado y ranurado), torneado y tanto para operaciones de mandrinado en desbaste y en acabado.

Comparación de aplicaciones

Se pudo ver un buen ejemplo de la eficacia del sistema Steadyline durante una operación de mandrinado difícil en acero 42CrMo4. En ella, se amplió un diámetro interior de 105,8 mm a uno de 129 mm con cinco pasadas de desbaste con una profundidad de 3 mm que se redujo hasta una profundidad de 0 mm. La longitud del corte inicial fue de 600 mm con un soporte de 80 mm de diámetro, lo que representaba una proporción de longitud a diámetro de la herramienta de 7,5. Se consiguió el desbaste con un avance de 0,3 mm/rev y con una velocidad de corte de 157 m/min. Se mecanizó en acabado con un diámetro final de 130 mm con una profundidad de corte de 0,5 mm, con un avance de 0,2 mm/rev y una velocidad de corte de 200 m/min. El tiempo de mecanizado en la operación se redujo de 12 a 2 horas (más del 80 %) con el uso del sistema de control de vibración pasivo/dinámico Steadyline.

Para demostrar las ventajas del sistema Steadyline en una operación de contorneado, se utilizó un soporte portafresas sin un control de vibraciones pasivo/dinámico en un acero 1.1206 CK50 con una fresa cuyo diámetro era de 20 mm con una velocidad de corte de 312 m/min, un avance 0,3 mm/diente y una profundidad de corte de 0,9 mm. Cuando se utilizó una versión de la misma herramienta con el sistema Steadyline y con la misma velocidad de corte y avance, se pudo aumentar la profundidad de corte hasta 2,2 mm (un aumento de 2,3 veces) sin vibraciones no deseadas.

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Conclusión

Los principales candidatos para el uso de los sistemas de control de vibraciones pasivo/dinámico son los fabricantes del sector Oil&Gas, generación de energía y aeronáutica. Estos sectores industriales suelen trabajar con piezas complejas y grandes con características que suelen necesitar el uso de herramientas de gran longitud. Además, dichas partes suelen estar hechas de aleaciones duras difíciles de mecanizar y que causan fuerzas de corte elevadas que provocan vibraciones. Sin embargo, es evidente que casi cualquier fabricante se enfrenta a aplicaciones en las que las propiedades de absorción de vibraciones de las herramientas Steadyline pueden extender sus capacidades, mejorar la productividad y reducir los costes.
Por Patrick de Vos, 
responsable de formación técnica corporativa del grupo Seco Tools
tel.93 4745533 
www.secotools.com

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